CN103317307B - 钛铝涡轮和转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法与结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法与连接结构，通过设计钛铝增压器涡轮叶轮与42CrMo转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接结构尺寸、过盈量和装配工艺参数，进行涡轮叶轮内双圆弧螺纹与配合端面以及转轴外双圆弧螺纹与配合端面的机械加工，采取对涡轮叶轮加热的措施，通过螺纹旋紧实现钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的装配，对已连接好的钛铝涡轮转轴进行其他部位的机械加工。实现了钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间的持久可靠连接，满足连接强度要求，结构和工艺简单，易于工程应用。
Description
技术领域
本发明属于涡轮增压技术领域，具体涉及一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法与连接结构。
背景技术
涡轮转轴是涡轮增压器的核心零部件之一，由涡轮叶轮和转轴通过连接而成。目前车用柴油机增压器的涡轮叶轮普遍采用密度为8.0×103kg/m3的铸造镍基高温合金K418材料，转轴采用42CrMo合金钢材料。对于由K418材料制造的增压器涡轮叶轮和42CrMo合金钢制造的转轴，可以采用摩擦焊接工艺实现涡轮叶轮与转轴的可靠连接，形成涡轮转轴。然而，由于K418材料密度较大，由K418材料制造的涡轮叶轮转动惯量也较大，导致废气涡轮增压发动机的瞬态响应性较差，特别是对于车用发动机，涡轮迟滞现象更加明显。
为提高涡轮增压发动机的瞬态响应性、减少起动/加速时的冒黑烟现象和改善发动机低速性能，涡轮叶轮可以采用比强度较高的铸造钛铝合金材料。钛铝合金材料的密度为3.9×103kg/m3，同时又具有良好的高温性能和抗氧化性能，且弹性模量较大，用钛铝材料制造的增压器涡轮叶轮，能够显著降低涡轮增压器转子的转动惯量，达到提高涡轮增压发动机的瞬态响应性、提升发动机性能的目的。但是由于钛铝合金材料属于金属间化合物，采用常规的焊接方法，很难实现钛铝合金涡轮叶轮与42crMo合金转轴之间的可靠连接，不能够满足增压器涡轮叶轮与转轴的连接强度要求。
专利号为97125874.0和200810110548.6的这两个专利提出直接采用机械过盈连接的方法实现钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴的连接，由于车用增压器涡轮叶轮与转轴连接部位的工作温度较高，且增压器工作转速波动较大，直接采用机械过盈连接的方法将难以有效地保证钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴连接强度的长期稳定性；
专利号为201310166758.8的专利提出采用过盈螺纹和销钉防松动相结合的连接方法，虽然可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是由于需要加工销钉孔和放置销钉，其工艺较为复杂，而且加大了涡轮转轴的动平衡难度。
发明内容
本发明针对目前钛铝合金材料在增压器涡轮应用过程中面临的钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的连接问题，提出一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法与连接结构。
本发明的技术方案：
一种钛铝增压器涡轮转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法，包括以下步骤：
a、涡轮叶轮与转轴双圆弧自锁螺纹过盈连接结构的设计，
根据钛铝涡轮叶轮、转轴和轴承体的结构参数以及涡轮材料与转轴材料之间的摩擦系数，确定涡轮叶轮与转轴螺纹连接部分的结构尺寸参数，从涡轮端看，螺纹旋向与增压器转轴的转动方向相同；根据涡轮叶轮材料与转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴承受的最大工作扭矩，确定双圆弧螺纹连接的过盈量；
b、钛铝涡轮叶轮内螺纹与配合端面的机械加工；
c、转轴外螺纹与配合端面的机械加工；
d、钛铝涡轮叶轮的加热；
e、钛铝涡轮叶轮和42CrMo合金转轴的螺纹装配旋紧；
f、已连接好的涡轮转轴其他部位的机械加工。
本发明的有益效果是：
钛铝增压器涡轮与转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法通过合理设计双圆弧螺纹连接结构尺寸参数、过盈量与工艺参数，解决了钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的连接问题，实现了钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴之间的持久可靠连接。双圆弧自锁过盈螺纹连接结构综合了“双圆弧”、“自锁”、“过盈”等特点，增大了螺纹部位的接触面积，提高了螺纹连接结构的连接强度，可以有效防止涡轮转轴在工作时在受热和转速波动较大的情况下发生相对转动。采用双圆弧自锁过盈螺纹连接方法，既可以保证增压器涡轮叶轮与转轴的连接强度，还可以使涡轮叶轮与转轴的螺纹连接在装配过程中实现良好定位。在完成涡轮叶轮与转轴螺纹装配的基础上，再进行涡轮转轴其他部位的机械加工，可以提高涡轮转轴的加工精度。该方法具有结构和工艺简单、连接强度持久可靠等特点，能够满足钛铝增压器涡轮叶轮与转轴连接的工程化应用需要。
附图说明
图1是涡轮和转轴双圆弧自锁过盈螺纹连接结构示意图
142CrMo合金转轴 2钛铝涡轮叶轮
图2是双圆弧自锁过盈螺纹连接结构局部放大图
具体实施方式
结合附图1对涡轮和转轴双圆弧自锁过盈螺纹连接方法和连接结构进行详细说明。
一种钛铝涡轮与转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接结构，包括转轴和涡轮叶轮，所述转轴端部有双圆弧自锁外螺纹，涡轮叶轮与转轴连接处有与转轴端部双圆弧螺纹过盈配合的双圆弧自锁内螺纹，所述内外螺纹的过盈率为0.005-0.009。
螺纹的过盈率指过盈量与螺纹公称直径的比值。
优选涡轮叶轮与转轴双圆弧过盈螺纹连接结构的内外螺纹采用3°的螺纹升角，可以实现螺纹自锁。
一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法，包括以下步骤：
a、钛铝涡轮叶轮与转轴双圆弧自锁过盈螺纹连接结构的设计：根据涡轮叶轮、转轴和轴承体的结构参数以及涡轮材料与转轴材料之间的摩擦系数，确定涡轮叶轮与转轴螺纹连接部分的结构尺寸参数，从涡轮端看螺纹旋向与转轴的转动方向相同；根据涡轮叶轮材料与转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴承受的最大工作扭矩，确定涡轮转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接结构的过盈量；
b、钛铝涡轮叶轮双圆弧内螺纹与配合端面的机械加工：按照步骤a确定的尺寸参数，对钛铝涡轮叶轮双圆弧自锁内螺纹和配合端面A进行加工；
c、42CrMo转轴双圆弧外螺纹与配合端面的机械加工：按照步骤a确定的尺寸参数，采用旋风铣削加工方式对转轴的双圆弧自锁外螺纹进行加工，并对端面A进行加工；
d、钛铝涡轮叶轮加热：采用油浴加热方式对钛铝涡轮叶轮进行整体加热，保证涡轮叶轮受热均匀；加热温度为180℃-200℃之间，加热时间为15分钟左右，保证涡轮叶轮热透；
e、钛铝涡轮叶轮和42CrMo合金转轴的螺纹装配：将加热好的钛铝涡轮叶轮与42CrMo合金转轴通过螺纹旋紧的方式连接在一起；
f、已连接好的涡轮转轴其他部位的机械加工：按照涡轮转轴的结构参数要求，对已连接好的涡轮转轴进行其他部位的机械加工。
结合附图2对涡轮和转轴双圆弧自锁过盈螺纹连接结构的双圆弧螺纹进一步说明。
双圆弧螺纹是指螺纹的牙型为圆弧形，即螺纹的上半部分和下半部分分别是半径相同的半圆。内外螺纹旋合后，外螺纹的牙顶圆弧与内螺纹的牙底圆弧配合，外螺纹的牙底圆弧与内螺纹的牙顶圆弧配合，使得内外螺纹的接触面积比普通螺纹、梯形螺纹等的接触面积更大，可以增大摩擦阻力，有效防止内外螺纹松脱，防止涡轮和转轴脱落。
Claims (1)
1.一种钛铝涡轮和转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法，包括以下步骤：
a、涡轮叶轮与转轴双圆弧自锁过盈螺纹连接结构的设计，所述转轴端部有双圆弧自锁外螺纹，涡轮叶轮与转轴连接处有与转轴端部双圆弧螺纹过盈配合的双圆弧自锁内螺纹；双圆弧自锁过盈螺纹的上半部分和下半部分分别是半径相同的半圆；涡轮叶轮与转轴双圆弧过盈螺纹连接结构的内外螺纹采用3°的螺纹升角；根据钛铝涡轮叶轮、转轴和轴承体的结构参数以及涡轮材料与转轴材料之间的摩擦系数，确定涡轮叶轮与转轴螺纹连接部分的结构尺寸参数，从涡轮端看，螺纹旋向与转轴的转动方向相同；根据涡轮叶轮材料与转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴承受的最大工作扭矩和最高工作温度，确定双圆弧螺纹连接的过盈量，所述内外螺纹的过盈率为0.005-0.009；
b、钛铝涡轮叶轮双圆弧内螺纹与配合端面的机械加工；
c、42CrMo转轴外双圆弧外螺纹与配合端面的机械加工，机械加工方式为旋风铣削加工；
d、钛铝涡轮叶轮加热，采用油浴加热方式对钛铝涡轮叶轮进行整体加热，油浴加热的加热温度为180℃-200℃，加热时间为15分钟；
e、钛铝涡轮叶轮和42CrMo合金转轴的螺纹装配；
f、已连接好的涡轮转轴其他部位的机械加工。
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